超高壓硅酸鎂作為早期地球的水庫(kù)
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)cnBeta：我們星球上的水的起源是一個(gè)熱門(mén)問(wèn)題。水對(duì)板塊構(gòu)造、壓硅氣候、酸鎂義烏美女包養(yǎng)（微信156-8194-*7106）提供頂級(jí)外圍女上門(mén)，可滿足你的一切要求地球上生命的作為早期起源以及其他類地行星的潛在可居住性有著巨大的影響。根據(jù)最近發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》的地球的水一項(xiàng)研究，一位俄羅斯斯科爾科沃科學(xué)技術(shù)研究所(Skoltech)教授和中國(guó)研究人員提出了一種化合物可能在“暴力”時(shí)代保存了地下深處的超高水，當(dāng)時(shí)大規(guī)模的壓硅碰撞肯定蒸發(fā)了地球的表面水。由于其重要性和獨(dú)創(chuàng)性，酸鎂這篇論文被作為“編輯建議”，作為早期在《物理學(xué)》雜志上重點(diǎn)介紹。地球的水
除了是超高我們所知的生命起源的所有重要物質(zhì)外，地表水對(duì)于長(zhǎng)期穩(wěn)定一個(gè)星球的壓硅氣候非常重要，使進(jìn)化得以發(fā)生。酸鎂即使是作為早期地表下深處的少量水，也被認(rèn)為會(huì)極大地增加巖石的地球的水可塑性，這對(duì)板塊構(gòu)造是至關(guān)重要的--這是一個(gè)塑造大陸和海洋的過(guò)程，并推動(dòng)地震和火山活動(dòng)。但是，盡管它對(duì)像我們這樣的巖石行星的進(jìn)化具有巨大的重要性，我們不知道地球上的水起源于哪里。
“一些科學(xué)家認(rèn)為我們的水是由彗星帶來(lái)的，但是這個(gè)來(lái)源似乎非常有限--彗星中的水的同位素組成與地球上的水有很大的不同，”共同撰寫(xiě)該研究報(bào)告的義烏美女包養(yǎng)（微信156-8194-*7106）提供頂級(jí)外圍女上門(mén)，可滿足你的一切要求Skoltech的Artem R. Oganov教授說(shuō)。
如果水不是來(lái)自彗星等天體，它一定是來(lái)自下面，來(lái)自地幔深處，甚至是地核。但是，它怎么能在地球歷史上最初的3000萬(wàn)年左右的劇烈運(yùn)動(dòng)中存活下來(lái)呢？當(dāng)時(shí)地球非常熱，被小行星不停地轟擊，甚至與一顆火星大小的行星發(fā)生了災(zāi)難性的碰撞。這些過(guò)程肯定蒸發(fā)了地球的一部分，而剩下的東西至少在幾百公里以下是熔化的，除去了水。直到現(xiàn)在，科學(xué)家們還不知道有一種穩(wěn)定的化合物能夠在行星的內(nèi)部鎖住氫和氧原子足夠長(zhǎng)的時(shí)間，然后將它們作為水釋放出來(lái)。
Oganov與中國(guó)南開(kāi)大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組合作，他們一起使用Oganov的晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法USPEX，發(fā)現(xiàn)了一種符合要求的化合物：含水硅酸鎂，按重量計(jì)算，它含有超過(guò)11%的水，在超過(guò)200萬(wàn)個(gè)大氣壓和極高溫度下穩(wěn)定。這樣的壓力存在于地核。但是每個(gè)人都知道地核是一個(gè)金屬球--主要是鐵--所以構(gòu)成含水硅酸鎂的元素在那里根本不存在，對(duì)嗎？
“錯(cuò)了。當(dāng)時(shí)并沒(méi)有地核。在其存在之初，地球具有或多或少的均勻成分，從地球形成時(shí)起，鐵大約花了3000萬(wàn)年的時(shí)間滲入其中心，將硅酸鹽推到我們現(xiàn)在稱之為地幔的地方，”O(jiān)ganov解釋說(shuō)。
這意味著在3000萬(wàn)年的時(shí)間里，地球上的部分水以含水硅酸鹽的形式安全地儲(chǔ)存在今天的核心深處。在那段時(shí)間里，地球經(jīng)受住了小行星轟擊的最嚴(yán)重階段。當(dāng)?shù)睾诵纬蓵r(shí)，含水硅酸鹽已被推入低壓區(qū)，在那里它們變得不穩(wěn)定并被分解。這產(chǎn)生了構(gòu)成今天地幔的氧化鎂和硅酸鎂，以及水，后者開(kāi)始了長(zhǎng)達(dá)1億年的地表之旅。
Oganov補(bǔ)充說(shuō)：“與此同時(shí)，地球被小行星甚至原行星撞擊，但水是安全的，因?yàn)樗€沒(méi)有到達(dá)地表。”
研究人員說(shuō)，他們的研究表明人類的直覺(jué)有時(shí)是多么的錯(cuò)誤。沒(méi)有人想到核心壓力下的硅酸鹽，因?yàn)閾?jù)說(shuō)在那里找不到組成的原子。即使如此，人們也不會(huì)想到含水硅酸鹽在核心條件下是穩(wěn)定的，因?yàn)槿藗冋J(rèn)為極端的溫度和壓力會(huì)把水從礦物中“擠出來(lái)”。然而，基于量子力學(xué)的精確建模證明了這一點(diǎn)。
這位材料科學(xué)家繼續(xù)說(shuō)：“這也是一個(gè)關(guān)于一種在行星時(shí)間尺度上短暫存在的材料如何對(duì)地球的演變產(chǎn)生巨大影響的故事。這與通常的地質(zhì)學(xué)思維方式背道而馳。這與通常的地質(zhì)學(xué)思維方式背道而馳，但仔細(xì)想想，一個(gè)進(jìn)化論生物學(xué)家，對(duì)他來(lái)說(shuō)，我們今天看到的許多東西都是從現(xiàn)已滅絕的物種中進(jìn)化出來(lái)的，他們很難感到驚訝，不是嗎？”
關(guān)于地球水起源的新假說(shuō)對(duì)其他天體也有影響。Oganov說(shuō)：“例如，火星太小，無(wú)法產(chǎn)生穩(wěn)定含水硅酸鎂所需的壓力。這解釋了為什么它如此干燥，并意味著無(wú)論火星上存在什么水，它都可能來(lái)自彗星。”
或者，考慮我們太陽(yáng)系以外的行星。“為了適合居住，一個(gè)系外行星必須有一個(gè)穩(wěn)定的氣候，這需要有大陸和海洋。所以必須有水，但不能太多，”其他研究人員補(bǔ)充說(shuō)。“有一個(gè)估計(jì)，對(duì)于任何大小的類地行星來(lái)說(shuō)，它都應(yīng)該有不超過(guò)0.2%的水（按重量計(jì)算），才是適合居住的。我們的結(jié)果意味著，對(duì)于被稱為‘超級(jí)地球’的大型類地行星來(lái)說(shuō)，情況可能有所不同：在這類行星中，穩(wěn)定硅酸鎂的壓力甚至必須存在于核心之外，無(wú)限期地鎖住大量的水。因此，‘超級(jí)地球’可以有大得多的水含量，并且仍然支持暴露的大陸的存在。”
研究人員認(rèn)為，這甚至對(duì)一個(gè)星球的磁層也有影響。“在超過(guò)2000攝氏度的溫度下，含水硅酸鎂會(huì)導(dǎo)電，氫質(zhì)子作為電荷載體。這意味著我們的含水硅酸鹽將有助于超級(jí)地球的磁場(chǎng)，”O(jiān)ganov解釋說(shuō)，并補(bǔ)充說(shuō)新假設(shè)的結(jié)果清單不勝枚舉。
相關(guān)報(bào)道：南開(kāi)大學(xué)科研人員為地球水起源提供新思路
（神秘的地球uux.cn報(bào)道）據(jù)南開(kāi)新聞網(wǎng)訊（記者 喬仁銘）：“地球的水從何而來(lái)”是一個(gè)由來(lái)已久的謎，這對(duì)于理解生命是如何出現(xiàn)以及地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)是如何隨時(shí)間演化至關(guān)重要。
日前，南開(kāi)大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院李含飛博士、董校副教授及其合作者對(duì)這個(gè)重要科學(xué)問(wèn)題給出了新的思路。相關(guān)論文“Ultrahigh-Pressure Magnesium Hydrosilicates as Reservoirs of Water in Early Earth”1月21日發(fā)表在物理學(xué)頂尖期刊《Physical Review Letters》（《物理評(píng)論快報(bào)》）上，并被列為編輯精選（Editor’s Suggestion）。物理成果報(bào)道雜志《Physics》特邀為其撰寫(xiě)專題文章。
目前，關(guān)于水的起源有兩個(gè)爭(zhēng)議的觀點(diǎn)：一是“地獄起源說(shuō)”：水來(lái)自于地球深處，即地球在吸積期獲得了大量的水，并儲(chǔ)藏與地球內(nèi)部；二是“天堂起源說(shuō)”：在地球形成后，富水隕石轟炸提供了大量的水。
最近，越來(lái)越多的證據(jù)支持第一種假設(shè)。氘/氫（D/H）比被認(rèn)為是水起源的指紋，提供了一個(gè)有力的證據(jù)：地球深部地幔的D/H比很低，接近于早期地球的基本組件頑輝石球粒隕石和原始太陽(yáng)星云，遠(yuǎn)低于彗星等太陽(yáng)系外圍物質(zhì)。這給地球內(nèi)部的水可能直接來(lái)自原太陽(yáng)星云提供了有力證據(jù)。
然而，這一假說(shuō)存在相當(dāng)大的問(wèn)題。與其他行星材料如鐵、硅酸鹽相比，水的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)要低得多，因此在新生地球的數(shù)千度的炙熱表面，水會(huì)被蒸發(fā)到太空中。由此可見(jiàn)，水只能存在于在地球新生吸積期儲(chǔ)存于地球內(nèi)部深處，同時(shí)在新生地球演化到一定程度時(shí)將水釋放出來(lái)。然而這一過(guò)程中的物質(zhì)存儲(chǔ)形式卻尚不明確。
董校副教授長(zhǎng)期從事極端條件下水合物的設(shè)計(jì)以及物性預(yù)測(cè)的研究，通過(guò)第一性原理計(jì)算和結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法，發(fā)現(xiàn)兩種新的水合硅酸鎂相在數(shù)百萬(wàn)大氣壓穩(wěn)定。其中，α‑Mg2SiO5H2穩(wěn)定在262–338 GPa，β‑Mg2SiO5H2 338 GPa 以上穩(wěn)定（對(duì)比如今核幔分界處的壓力為136 GPa，地球中心的壓力為360 GPa）。兩者結(jié)構(gòu)上的區(qū)別為β‑Mg2SiO5H2擁有首次預(yù)言的鎂離子9配位形式。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，兩者在高溫下都具有準(zhǔn)一維質(zhì)子擴(kuò)散的超離子導(dǎo)體形式。
第一性原理計(jì)算表明，在300 GPa，α‑Mg2SiO5H2和β‑Mg2SiO5H2有非常高的密度和極高的含水量。其中Mg2SiO5H2含有11.4 wt %的水，只略微少于δ‑AlO2H和H相（MgSiO4H2）中約15wt %的含水量，高于大多數(shù)其他報(bào)道的水合硅酸鹽和氫氧化物的含水量。分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算預(yù)測(cè)，Mg2SiO5H2 耐熱性遠(yuǎn)好于其他含水礦物，在高達(dá)8000K的溫度下，也沒(méi)有融化的跡象。
在早期地球內(nèi)部，因?yàn)楹酸Ｉ形捶蛛x，硅酸鹽和過(guò)量的氧化鎂可能深入到地球內(nèi)部深處，從而承受遠(yuǎn)比現(xiàn)今更高的壓力，比如高于262 GPa，而此時(shí)則可以以Mg2SiO5H2 的形式儲(chǔ)存水分。
計(jì)算表明，理想狀態(tài)下早期地球內(nèi)部以Mg2SiO5H2 的形式可以儲(chǔ)存8倍現(xiàn)今海洋質(zhì)量的水。而后隨著核幔分離的進(jìn)行，鐵質(zhì)核區(qū)逐漸長(zhǎng)大，從而將硅酸鹽抬高并降低其所受壓力，從而迫使Mg2SiO5H2分解釋放水分。而釋放出的水分通過(guò)復(fù)雜的地球物理和化學(xué)過(guò)程返回地表，而此時(shí)，地表已經(jīng)足夠冷卻能夠保證液態(tài)水的存在，形成原始海洋。而Mg2SiO5H2的分解產(chǎn)物，MgSiO3和MgO，它們?nèi)匀辉谙碌蒯０l(fā)揮著重要作用。同時(shí)Mg2SiO5H2的發(fā)現(xiàn)對(duì)于人類認(rèn)識(shí)其它類地行星，尤其是超級(jí)地球中的物質(zhì)循環(huán)也具有重要意義。
綜上所述，該項(xiàng)工作填補(bǔ)了含水硅酸鹽體系在數(shù)百GPa壓力下物質(zhì)存在形式的空白，開(kāi)拓了早期地球水和輕元素循環(huán)的新視角，加深了人們對(duì)核幔分離過(guò)程中物質(zhì)存在和循環(huán)過(guò)程的理解。
在同一期《Physical Review Letters》中，南京大學(xué)的孫建教授發(fā)表了一個(gè)相關(guān)的體系H-Si-O并著重闡述了該體系中新發(fā)現(xiàn)的化合物在天王星、海王星等冰行星中的影響。《Physics》特邀為這兩篇工作撰寫(xiě)了專題評(píng)論文章 “Mineral Candidates for Planet Interiors”，其中法國(guó)天文學(xué)家Tristan Guillot評(píng)價(jià)“兩篇工作都是有重大潛在應(yīng)用價(jià)值的創(chuàng)新工作”。
《Physical Review Letters》是美國(guó)物理學(xué)會(huì)(American Physical Society)于1958年創(chuàng)辦的物理學(xué)綜合性期刊，屬于物理學(xué)頂級(jí)刊物，主要發(fā)表重要的物理研究成果。《Physics》為美國(guó)物理學(xué)會(huì)創(chuàng)辦的科學(xué)報(bào)道期刊，主要針對(duì)最新的重要科研成果進(jìn)行報(bào)道，前身為《Physical Review Focus》，在學(xué)界具有很大影響力。
該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、天津市自然科學(xué)基金、廣州超算中心、南開(kāi)大學(xué)超算中心及其他相關(guān)基金資助或支持。
相關(guān)鏈接：
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.035703
《Physics》評(píng)論文章鏈接：https://physics.aps.org/articles/v15/9
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